第1章 机械零件的失效分析-3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四节 零件的磨损失效,粘着磨损,磨粒磨损,疲劳磨损,产生过程、机理以及防止措施,相互接触的零件间会发生摩擦，在摩擦过程中零件表面发生的尺寸变化和物质耗损现象称为磨损。,一、磨损的基本类型,粘着磨损,磨粒磨损,腐蚀磨损,麻点磨损（,接触疲劳,）,（一）粘着磨损（咬合磨损）,在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。,局部粘着（冷焊）,粘着处被撕掉,金属表面被划伤或者金属屑粒脱落,局部接触,接触面积小应力大,润滑油膜、氧化膜被挤破,特点,在滑动摩擦条件上产生；,摩擦副的两种金属力学性能相差不大；,磨损速度大，,10,15,m/h,，破坏严重。,防止措施,合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料,；,提高表面硬度；,合理设计减小接触压应力；,减小表面粗糙度。,（二）,磨粒磨损（,磨料磨损）,在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。,金属表面发生局部塑性变形,磨粒嵌入金属表面，切割金属表面,表面被划伤,特点,提高表面硬度（从选材方面）；,减少磨粒数量（从工作状况方面）,。,防止措施,普遍存在于机件中；,磨损速度较大，,0.5,5,m/h,（三）腐蚀磨损,在摩擦力和介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）合的一种磨损。,氧化磨损,微动磨损,冲蚀磨损,（四）接触疲劳,零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。,特点,产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损，亦称疲劳磨损。,接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。,防止措施,提高材料硬度；,（以增加塑性变形的抗力，延缓裂纹形成和扩展）,提高材料纯度；,（减少裂纹源）,提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层组织；,减小表面粗糙度，以减小摩擦力。,小结,磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其预防措施也不同。,提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。,第五节 零件的腐蚀失效,材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。,化学腐蚀,电化学腐蚀,化学腐蚀过程中不产生腐蚀电流，如金属在高温氧化性气氛中、在干燥空气中、在石油及酒精中的腐蚀,都属于化学腐蚀。,电化学腐蚀过程中会产生腐蚀电流，如金属在潮湿空气、海水、或电解质溶液中的腐蚀都是电化学腐蚀。,高温氧化腐蚀,电化学腐蚀,应力腐蚀,一、高温氧化腐蚀,除,Au,、,Pt,外，金属中在空气中都会发生氧化，高温会加速氧化过程。,腐蚀会导致零件有效截面积减小，承载能力降低。,在高温含氧气氛中工作的零件的抗高温氧化能力是一项重要指标。,氧化过程（三个步骤）,金属失去电子成为金属离子,氧原子吸收电子成为氧离,金属离子和氧离子结合为金属氧化物,氧化膜形成后，将金属基体与氧隔开，金属要继续氧化必须：,金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜,氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜,氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧化膜的能力，决定了材料的抗氧化性能。,Al,2,O,3,、,Cr,2,O,3,、,SiO,2,等氧化膜的熔点高，致密，阻力大；,FeO,、,Cu,2,O,等氧化膜的熔点低，疏松，阻力小；,在钢中加入,Al,、,Cr,、,Si,等元素，因其与氧的亲和力比,Fe,大，故可优先形成氧化物，从而阻,Fe,的氧化。,二、电化学腐蚀,不同金属或同一金属的不同部分存在电极电位差；,相互接触；,有电介质溶液。,产生条件,阳极：失去电子发生氧化反应,（被腐蚀）,电化学腐蚀的过程,阴极：得到电子发生还原反应,M,M,n+,ne,析氢反应,（电解质中,H,+,高时）,吸氧反应,（电解质中,O,2,高时）,腐蚀原电池,(NH,4,)Cl,碳棒,锌外壳,在锌壳上的阳极反应,在碳棒上的阴极反应,ZnZn,2+,+2e,2H,+,+2e H,2,结果：,Zn,被离子化（腐蚀）。,F,基球墨铸铁在,HCl,中的电化学腐蚀,H,2,F,基体的电极电位比,G,低，故为阳极，被腐蚀；而在阴极,G,上析出,H,2,气体。,HCl,水溶液,三、应力腐蚀（,SCC,）,材料在应力和特定介质联合作用下产生的低应力脆性断裂。,应力低,介质的腐蚀性小,特定介质,特点,常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质,金属材料,化学介质,金属材料,化学介质,低碳钢和低合金钢,NaOH,、沸腾硝酸盐溶液，海水、海洋及工业气氛,铝合金,氯化物、海水及海洋大气、潮湿工业大气,奥氏体不锈钢,酸性和中性氯化物、熔融氯化物、海水,钢合金,氨蒸气、含氨气体、含胺离子水溶液,镍基合金,热浓,NaOH,、,HF,蒸气和溶液,钛合金,发烟硝酸、,300,以上的氯化物，潮湿空气及海水,18-8,奥氏体不锈钢,Intergranular,-SCC,四、,改善零件耐蚀性的措施,对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。,对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂,第六节 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效,材料在高温下的力学行为,蠕变和蠕变曲线,材料高温力学性能指标,高温下零件的失效和防止,一、材料在高温下的力学行为,高温下材料的力学性能与常温下有很大不同,20,钢,室温抗拉强度,:410MPa,450,短时抗拉强度,:330MPa,450,持续工作,300h,断裂应力,230MPa,450,持续工作,1000h,断裂应力,120MPa,材料的强度随温度的升高而降低,高温下材料的强度随时间的延长而降低,高温下材料的变形量随时间的延长而增加,二、蠕变和蠕变曲线,材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为。,蠕变,产生蠕变的最低温度,碳钢,300,350,合金钢,350,400,一般金属材料,0.3,0.4T,m,陶瓷材料,0.3,0.4T,m,蠕变曲线,根据蠕变速率的变化可将蠕变曲线分为三个阶段,I,减速蠕变阶段,II,恒速蠕变阶段,III,加速蠕变阶段,在应力较小或温度较低时，蠕变第,II,阶段持续时间长，无第,III,阶段，即不发生蠕变断裂；,在应力较大或温度较高时，蠕变第,II,阶段很短，甚至消失，即发生短时断裂。,三、,材料高温力学性能指标,蠕变极限,高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。,表示方法,在规定温度下使试样产生规定,稳态蠕变速率,的应力值,600,温度下，稳态蠕变速度为,110,-5,/h,的蠕变极限为,60MPa,给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变,总变形量,的应力值,500,温度下，,10,5,h,后总变形量为,1,的蠕变极限为,100MPa,材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。,持久强度,表示方法,用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示,700,温度下，经,1000h,的持久强度为,300MPa,四、高温下零件的失效和防止,过量塑性变形（蠕变变形）,断裂（包括蠕变断裂、冲击载荷及疲劳载荷下的断裂）,磨损,氧化腐蚀,高温下零件的失效形式,正确选材；,选熔点高、组织稳定的材料,表面处理,表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷等,防止措施,习题与思考题,1,、,3,、,4,、,5,、,9,、,12,、,13,作业,